USB Type-C 接口设计教程

Posted 2021-10-04 ybhuangfugui

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来源 | 电子开发圈

一、什么是USB Type-C？

USB Type-C是一种相对较新的标准，旨在提供高达10Gb / s的高速数据传输以及高达100W的功率流。这些功能可以使USB Type-C成为现代设备的真正通用连接标准。

二、USB Type-C功能

USB Type-C接口有三个主要功能：

1、它有一个可翻转的连接器。接口的设计使插头可以相对于插座翻转。

2、它支持USB 2.0，USB 3.0和USB 3.1 Gen 2标准。此外，它还可以在称为备用模式的操作模式下支持第三方协议，如DisplayPort和HDMI。

3、它允许设备协商并通过接口选择适当的功率流。

三、USB Type-C针脚

USB Type-C连接器有24个引脚。图1和图2分别显示了USB Type-C插座和插头的插针。

图1. USB Type-C插座

图2. USB Type-C插头

USB 2.0差分对

D+和D-引脚是用于USB 2.0连接的差分对。插座中有两个D +引脚和两个D-引脚。

但是，引脚相互连接，实际上只有一个USB 2.0数据差分对可供使用。仅包括冗余以提供可翻转的连接器。

电源和接地引脚

VBUS和GND引脚是电源和信号的返回路径。默认的VBUS电压为5 V，但标准允许器件协商并选择VBUS电压而不是默认值。电源传输允许VBUS具有高达20 V的电压。最大电流也可以升高到5A。因此，USB Type-C可以提供100 W的最大功率。

当为诸如笔记本电脑的大型设备充电时，高功率流可能是有用的。图3显示了RICHTEK的示例，其中降压 - 升压转换器用于生成笔记本电脑所请求的适当电压。

图3. RICHTEK示例

请注意，电源传输技术使USB Type-C比旧标准更通用，因为它使功率水平适应负载的需要。您可以使用同一根电缆为智能手机和笔记本电脑充电。

RX和TX引脚

有两组RX差分对和两组TX差分对。

这两个RX对中的一个以及TX对可用于USB 3.0 / USB 3.1协议。由于连接器是可翻转的，因此需要多路复用器通过电缆正确地重新路由所采用的差分对上的数据。

请注意，USB Type-C端口可以支持USB 3.0 / 3.1标准，但USB Type-C的最小功能集不包括USB 3.0 / 3.1。在这种情况下，USB 3.0 / 3.1连接不使用RX / TX对，并且可以被其他USB Type-C功能使用，例如备用模式和USB供电协议。这些功能甚至可以利用所有可用的RX / TX差分对。

CC1和CC2针脚

这些引脚是通道配置引脚。它们执行许多功能，例如电缆连接和移除检测，插座/插头方向检测和当前广告。这些引脚也可用于Power Delivery和Alternate Mode所需的通信。

下面的图4显示了CC1和CC2引脚如何显示插座/插头方向。在此图中，DFP代表下游面向端口，该端口充当数据传输中的主机或电源。UFP表示上游面向端口，它是连接到主机或电力消费者的设备。

图4.CC1和CC2引脚

DFP通过Rp电阻上拉CC1和CC2引脚，但UFP通过Rd将它们拉低。如果没有连接电缆，则源在CC1和CC2引脚处看到逻辑高电平。连接USB Type-C电缆可创建从5V电源到地的电流路径。

由于USB Type-C电缆内只有一根CC线，因此只形成一条电流路径。例如，在图4的上图中，DFP的CC1引脚连接到UFP的CC1引脚。因此，DFP CC1引脚的电压低于5 V，但DFP CC2引脚仍处于逻辑高电平。因此，监控DFP CC1和CC2引脚上的电压，我们可以确定电缆连接及其方向。

除电缆方向外，Rp-Rd路径还用作传递源电流能力信息的方式。为此，功耗（UFP）监视CC线上的电压。当CC线上的电压具有其最低值（约0.41 V）时，源可以分别为USB 2.0和USB 3.0提供500 mA和900 mA的默认USB电源。当CC线电压约为0.92 V时，源可提供1.5 A的电流。最高CC线电压约为1.68 V，对应于3A的源电流能力。

VCONN引脚

如上所述，USB Type-C旨在提供超快的数据传输速度以及高水平的功率流。这些特征可能需要使用通过在内部使用芯片进行电子标记的特殊电缆。此外，一些有源电缆利用重新驱动芯片来加强信号并补偿电缆等引起的损耗。在这些情况下，我们可以通过施加5 V，1 W电源为电缆内部的电路供电提供给VCONN引脚。如图5所示。

图5.VCONN引脚

如您所见，有源线缆使用Ra电阻来下拉CC2引脚。Ra的值与Rd不同，因此DFP仍然可以通过检查DFP CC1和CC2引脚上的电压来确定电缆方向。确定电缆方向后，与“有源电缆IC”对应的通道配置引脚将连接到5 V，1 W电源，为电缆内部的电路供电。例如，在图5中，有效的Rp-Rd路径对应于CC1引脚。因此，CC2引脚连接到VCONN表示的电源。

SBU1和SBU2针脚

这两个引脚对应于仅在备用模式下使用的低速信号路径。

四、USB供电和备用模式

如上所述，使用USB Type-C标准的半导体设备可以通过接口协商并选择适当水平的功率流。这些功率协商是通过称为USB Power Delivery的协议实现的，该协议是上面讨论的CC线上的单线通信。

下面的图6显示了一个示例USB供电，其中接收器向源发送请求并根据需要调整VBUS电压。首先，要求提供9 V总线。在源稳定总线电压为9 V后，它会向接收器发送“电源就绪”消息。然后，接收器请求一个5V总线，并且源提供它并再次发送“电源就绪”消息。

图6.USB供电示例

值得注意的是，“USB供电”不仅仅涉及与供电相关的谈判，其他谈判，例如与备用模式相关的协商，都是使用标准CC线上的供电协议完成的。

替代操作模式允许我们使用USB Type-C标准实现第三方协议，如DisplayPort和HDMI。所有备用模式必须至少支持USB 2.0和USB供电连接。

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